巷道掘進合理空頂距的確定方法

張建平

(西山煤電西銘礦一采區 山西 太原 030000)

巷道掘進合理空頂距的確定方法

張建平

(西山煤電西銘礦一采區 山西 太原 030000)

本文運用在大寧煤礦檢測到的一些頂板圍巖共同支護數據，以實例講解了巷道未支護的頂板不垮落條件下，如何從理論上確定合理的空頂距。分析了客觀實際操作中需要考慮的其他因素，提出了如何確定巷道掘進合理空頂距的確定方法。

掘進巷道；合理；空頂距；確定方法

0 引言

礦山施工作業時經常會考慮如何確定一條巷道的合理空頂距。空頂距就是指在未支護的頂板不垮落條件下，巷道在掘進方向的空間長度為空頂距。作為煤礦施工中如何從理論上確定合理的空頂距，是必須解決的技術問題。合理空頂距的確定，可以充分發揮掘巷機械的效率，保障施工人員的安全，進而保證安全生產。本文在此做一些粗略研究與大家共議。

1 空頂距計算的力學模型

根據大寧煤礦在掘巷道的頂板組成情況，可將巷道頂板中最下面的0.5米厚頂煤不垮落作為巷道頂板天然穩定的標志。因此，當巷道跨度一定時，最大空頂距取決于懸露頂煤在巷道掘進方向上的最大可穩定長度。

從力學角度看，巷道頂板中懸空的頂煤相當于四邊固定支承的矩形薄板。設巷道跨度為a，頂板在掘進方向的未支護長度為b，頂煤厚度為h，則空頂范圍內頂煤的工作狀態如圖1-1所示。

圖1-1 空頂范圍內的巷道頂板

2 薄（頂）板的穩定條件

通過研究0.4米厚頂煤以固支板的狀態存在時的邊界應力，可以得到它的穩定條件，進而獲得該板穩定條件下的最大長度。

圖2 -2 巷道懸露頂板的力學模型

研究四邊固支矩形薄板的力學模型及坐標系如圖2-2所示。根據有關薄板的理論，在均布載荷q作用下，板內的應力分布為：

式中E為板的彈性模量，μ為板的泊松比，且有：

實際工作狀態下的巷道頂煤一般為雙向板，按照雙向板的力學特點，四邊固定支撐的板在兩個長邊界承擔的載荷大于兩個短邊界承擔的載荷，且板在固支邊界中點截面的拉應力及相應彎矩最大。因此，板在兩個長邊界上的破壞與否，將決定整個板的穩定性。由（1）式可得兩個長邊界上部處）的應力分布為：

在上述應力中，拉應力σx對所作用邊界的斷裂起決定性作用。 取，由（2）式可以得到（0,y,-h/2）和（a,y,-h/2）邊界上x方向的最大拉應力σxmax為 ：

如果板材的抗拉強度為σt，則當σxmax<σt時板是安全的，因此，巷道頂板穩定的條件可以表示為：

將有關參數代入上式，最終得到：

滿足上式的最大b值就是巷道掘進時的最大空頂距。

3 薄（頂）板上的載荷

從大寧煤礦已揭露的頂板巖層情況來看，上述0.4米堅硬頂煤之上有1.2米左右較軟弱的煤層和0.4米比較破碎的泥巖，這三部分巖層的重量是厚為0.4米的堅硬頂煤以板的狀態存在時承受的載荷，集度為：

4 計算結果及結論

3#煤的抗拉強度為0.82～1.7MPa，作為板來研究的0.4米厚頂煤是抗拉強度最高的，因此計算時取σt=1.7MPa。將σt=1.7MPa、h=0.4m、a=5.5m、π=3.14 和 q=0.312MPa 代入到（4）式，最終可以求得滿足該式的b值為b<8.8m，即理論計算得到的最大空頂距為8.8米。

需要注意的是，上述結果是在理想化條件下獲得的，且認為巷道兩幫對頂板提供了足夠的支撐。實際上，巷道兩幫煤壁的穩定情況是影響空頂范圍內人員安全的另一個不可忽視的重要因素，工程上合理的空頂距還應當根據施工中煤壁的穩定情況確定安全系數。綜合考慮各項因素，如果安全系數定為1.3，則空頂距為6.8m；如果安全系數定為1.4，則空頂距為6.3m。總之，最終的空頂距應當在8.8米以內根據巷道頂板及兩幫煤體的完整程度進行適當調整。

湯靜］